Verfügbarkeit: Biomechanik :: THWS Bibkatalog

Biomechanik: Anwendungen mechanischer Prinzipien auf den menschlichen Bewegungsapparat

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Hauptverfasser:	Richard, Hans Albert 1949- (VerfasserIn), Kullmer, Gunter 1961- (VerfasserIn)
Weitere Verfasser:	Noecker, Dietrich 1942- (MitwirkendeR)
Format:	Buch
Sprache:	German
Veröffentlicht:	Wiesbaden Springer Vieweg [2020]
Ausgabe:	2. Auflage
Schriftenreihe:	Lehrbuch
Schlagworte:	Bewegungsapparat Biomechanik Lehrbuch
Online-Zugang:	Inhaltstext Inhaltsverzeichnis Buchcover
Beschreibung:	XI, 304 Seiten Illustrationen, Diagramme
ISBN:	9783658283322 3658283327

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adam_text	INHALTSVERZEICHNIS 1 BIOMECHANIK - DEFINITIONEN, AUFGABEN UND FRAGESTELLUNGEN ......................................... 1 1.1 DEFINITION DER BIOMECHANIK ............................................................................................ 1 1.2 GRUNDAUFBAU DES MENSCHLICHEN BEWEGUNGSAPPARATS .................................................... 1 1.2.1 PASSIVER BEWEGUNGSAPPARAT ODER SKELETTSYSTEM ............................................. 2 1.2.2 AKTIVER BEWEGUNGSAPPARAT ODER MUSKELSYSTEM .............................................. 3 1.2.3 LAGE- UND RICHTUNGSBESCHREIBUNG BEIM BEWEGUNGSAPPARAT .......................... 4 1.2.4 BESCHREIBUNG DER RELATIVBEWEGUNGEN BEIM BEWEGUNGSAPPARAT .................... 5 1.2.5 GEWICHTSANTEILE DES MENSCHLICHEN KOERPERS ..................................................... 7 1.3 AUFGABEN DER BIOMECHANIK .............................................................................................. 8 1.4 EINTEILUNG DER BIOMECHANIK ............................................................................................. 8 1.5 SPEZIELLE FRAGESTELLUNGEN DER BIOMECHANIK .................................................................... 9 1.6 SCHWERPUNKTE UND INHALTE DES BUCHS ........................................................................... 13 LITERATUR ZU KAPITEL 1 ............................................................................................................... 14 2 STATIK DES STUETZAPPARATES ..................................................................................................... 15 2.1 KRAEFTE UND IHRE WIRKUNGEN ............................................................................................. 15 2.1.1 AEUSSERE KRAEFTE, WIRKENDE LASTEN ...................................................................... 16 2.1.2 REAKTIONSKRAEFTE UND INNERE KRAEFTE .................................................................. 21 2.1.3 AXIOME DER STATIK ............................................................................................. 22 2.1.4 ZERLEGUNG EINER KRAFT IN VERSCHIEDENE RICHTUNGEN ....................................... 25 2.1.5 ZERLEGUNG EINER KRAFT IN KOMPONENTEN .......................................................... 26 2.1.6 RECHNERISCHE ERMITTLUNG DER RESULTIERENDEN KRAFT EINES EBENEN KRAEFTESYSTEMS ................................................................................................... 27 2.1.7 RECHNERISCHE ERMITTLUNG DER RESULTIERENDEN KRAFT EINES RAEUMLICHEN KRAEFTESYSTEMS ................................................................................................... 29 2.2 MOMENTE UND IHRE WIRKUNGEN ...................................................................................... 31 2.2.1 MOMENT EINER KRAFT .......................................................................................... 31 2.2.2 VEKTORDARSTELLUNG EINES MOMENTES ................................................................ 32 2.2.3 ERMITTLUNG DES MOMENTS EINER EBENEN KRAEFTEGRUPPE .................................... 33 2.2.4 ERMITTLUNG DES MOMENTES EINER RAEUMLICHEN KRAEFTEGRUPPE ............................ 35 2.2.5 MOMENT EINES KRAEFTEPAARS ............................................................................... 36 2.3 GLEICHGEWICHTSBEDINGUNGEN .......................................................................................... 37 2.3.1 GLEICHGEWICHTSBEDINGUNGEN FUER EBENE PROBLEME ......................................... 37 2.3.2 GLEICHGEWICHTSBEDINGUNGEN FUER RAEUMLICHE PROBLEME ................................... 38 2.4 SCHWERPUNKT ................................................................................................................... 39 2.4.1 SCHWERPUNKT EINES KOERPERS ............................................................................. 39 2.4.2 SCHWERPUNKT DES MENSCHEN BEI VERSCHIEDENEN KOERPERHALTUNGEN ................ 41 2.4.3 SCHWERPUNKTE VON FLAECHEN .............................................................................. 43 2.5 BEWEGUNGSAPPARAT ALS MEHRTEILIGE STRUKTUR ................................................................ 46 2.5.1 PASSIVER BEWEGUNGSAPPARAT ............................................................................ 46 2.5.2 AKTIVER BEWEGUNGSAPPARAT ............................................................................. 46 2.5.3 GRUNDSTRUKTUREN DER STATIK .............................................................................. 47 2.5.4 GELENKE ............................................................................................................. 49 VIII INHALTSVERZEICHNIS 2.6 WECHSELWIRKUNG DES BEWEGUNGSAPPARATS MIT DER UMGEBUNG ................................... 50 2.6.1 GRUNDLEGENDE LAGERUNGSARTEN DER TECHNISCHEN MECHANIK ........................... 50 2.6.2 FREIHEITSGRADE, STABILE LAGERUNG UND STATISCHE BESTIMMTHEIT VON TRAGWERKEN UND KOERPERN ................................................................................. 52 2.6.3 STUETZEN UND HALTEN BEIM MENSCHLICHEN BEWEGUNGSAPPARAT ........................ 53 2.6.4 HAFTUNG, HAFTREIBUNG ........................................................................................ 54 2.6.5 GLEITREIBUNG ....................................................................................................... 56 2.7 BESTIMMUNG VON REAKTIONS- UND KONTAKTKRAEFTEN BEI EINTEILIGEN SYSTEMEN ............ 57 2.7.1 ABSTRAHIEREN DES SYSTEMS UND FREISCHNITT ....................................................... 57 2.7.2 ERMITTLUNG DER AUFLAGERREAKTIONS- BZW. HALTEKRAEFTE MITTELS DER GLEICHGEWICHTSBEDINGUNGEN .... ........................................................................ 58 2.8 BESTIMMUNG VON REAKTIONS- UND ZWISCHENREAKTIONSKRAEFTEN BEI MEHRTEILIGEN SYSTEMEN .......................................................................................................................... 59 2.8.1 FREIHEITSGRADE, STABILE LAGERUNG UND STATISCHE BESTIMMTHEIT MEHRTEILIGER SYSTEME .............................................................................................................. 59 2.8.2 FREISCHNITT DES GESAMTSYSTEMS ........................................................................ 61 2.8.3 FREISCHNITT VON TEILSYSTEMEN ........................................................................... 61 2.8.4 ERMITTLUNG VON REAKTIONS- BZW. KONTAKTKRAEFTEN UND GELENKKRAEFTEN .......... 61 2.8.5 HYPOTHESEN ZUR BERECHNUNG VON STUETZ- UND HALTEKRAEFTEN BEIM MENSCHLICHEN BEWEGUNGSAPPARAT .................................................................... 62 2.9 BESTIMMUNG VON INNEREN KRAEFTEN, SCHNITTGROESSEN ....................................................... 63 2.9.1 SCHNITTPRINZIP NACH EULER/LAGRANGE ..................................................... 63 2.9.2 ERMITTLUNG DER SCHNITTGROESSEN .......................................................................... 64 2.10 STANDFLAECHE UND STANDSICHERHEIT .................................................................................... 75 2.10.1 DEFINITION DER STANDFLAECHE ............................................................................... 75 2.10.2 STANDSICHERHEIT ................................................................................................... 76 2.11 RAEUMLICHE KRAEFTESYSTEME .............................................................................................. 77 LITERATUR ZU KAPITEL 2 ............................................................................................................... 78 3 FESTIGKEIT DES STUETZ- UND BEWEGUNGSAPPARATS .................................................................. 79 3.1 STATIK, ELASTOSTATIK, FESTIGKEITSLEHRE .............................................................................. 79 3.1.1 STATIK .................................................................................................................. 79 3.1.2 ELASTOSTATIK ......................................................................................................... 79 3.1.3 FESTIGKEITSLEHRE .................................................................................................. 79 3.2 BELASTUNGS- UND VERFORMUNGSARTEN ............................................................................... 80 3.3 SPANNUNGEN ..................................................................................................................... 81 3.3.1 BEANSPRUCHUNG DURCH NORMALKRAEFTE BEI ZUGBELASTUNG ................................. 81 3.3.2 BEANSPRUCHUNG DURCH NORMALKRAEFTE BEI DRUCKBELASTUNG ............................... 83 3.3.3 BEANSPRUCHUNG DURCH NORMALKRAEFTE, QUERKRAEFTE UND BIEGEMOMENTE .......... 84 3.3.4 BEANSPRUCHUNG DURCH TORSIONSMOMENTE ........................................................ 87 3.4 VERFORMUNGEN .................................................................................................................. 88 3.4.1 VERFORMUNGEN BEI EINACHSIGEM ZUG ................................................................ 89 3.4.2 VERFORMUNGEN DURCH SCHUBBELASTUNGEN .......................... 90 3.4.3 ALLGEMEINE FORMAENDERUNGEN: VERZERRUNGEN .................................................. 90 3.4.4 STOFFGESETZE ........................................................................................................ 91 3.4.5 LAENGENAENDERUNGEN UND FEDERKONSTANTEN VON SEILEN UND STAEBEN ................ 92 3.4.6 DURCHBIEGUNGEN VON BALKEN ............................................................................ 93 3.4.7 VERDREHUNGEN INFOLGE TORSIONSBELASTUNGEN ................................................... 94 INHALTSVERZEICHNIS IX 3.5 KOMBINATIONEN VON BELASTUNGEN .................................................................................. 96 3.5.1 UEBERLAGERUNGEN VON NORMALSPANNUNGEN ....................................................... 96 3.5.2 UEBERLAGERUNG VON NORMAL- UND SCHUBSPANNUNGEN ...................................... 96 3.6 FEDER SCHALTUNG ELASTISCHER SYSTEME ............................................................................ 106 3.6.1 REIHENSCHALTUNG ELASTISCHER SYSTEME ............................................................ 107 3.6.2 PARALLELSCHALTUNG ELASTISCHER SYSTEME ........................................................... 107 LITERATUR ZU KAPITEL 3 ............................................................................................................. 108 4 KINEMATIK UND KINETIK DER BEWEGUNGEN ........................................................................ 109 4.1 IDEALISIERUNGEN ............................................................................................................. 109 4.1.1 MASSENPUNKT .................................................................................................... 109 4.1.2 MASSENPUNKTSYSTEM ........................................................................................ 110 4.1.3 STARRER KOERPER .................................................................................................. 110 4.2 EINTEILUNG DER BEWEGUNGEN ........................................................................................ 111 4.3 KINEMATIK DES MASSENPUNKTES ................................................................................... 111 4.3.1 BEWEGUNGSBAHN ............................................................................................... 111 4.3.2 GESCHWINDIGKEIT .............................................................................................. 112 4.3.3 BESCHLEUNIGUNG ............................................................................................... 113 4.3.4 GERADLINIGE BEWEGUNG ................................................................................... 114 4.3.5 BESTIMMUNG VON GESCHWINDIGKEIT UND BESCHLEUNIGUNG AUS BEKANNTER WEG-ZEIT-BEZIEHUNG ...................................................................................... 114 4.3.6 BESTIMMUNG VON GESCHWINDIGKEIT UND WEG AUS GEGEBENER BESCHLEUNIGUNG ............................................................................................... 118 4.4 KINEMATIK DES STARREN KOERPERS .................................................................................. 126 4.4.1 FREIHEITSGRADE EINES STARREN KOERPERS .............................................................. 126 4.4.2 TRANSLATION ....................................................................................................... 127 4.4.3 ROTATION ........................................................................................................... 128 4.5 KINETIK DES MASSENPUNKTES ......................................................................................... 130 4.5.1 AXIOME DER DYNAMIK ..................................................................................... 131 4.5.2 NEWTONSCHES GRUNDGESETZ IN KARTESISCHEN KOORDINATEN ........................ 132 4.6 KINETIK DES STARREN KOERPERS ......................................................................................... 132 4.6.1 NEWTONSCHES GRUNDGESETZ FUER DEN STARREN KOERPER BEI TRANSLATION, SCHWERPUNKTSATZ ............................................................................................. 132 4.6.2 NEWTONSCHES GRUNDGESETZ FUER STARRE KOERPER BEI ROTATION ...................... 133 4.6.3 MASSENTRAEGHEITSMOMENTE EINZELNER STARRER KOERPER ..................................... 134 4.6.4 NEWTONSCHE GRUNDGLEICHUNGEN FUER ALLGEMEINE EBENE BEWEGUNGEN.... 135 4.6.5 ANWENDUNGEN DER NEWTONSCHEN GRUNDGLEICHUNGEN ............................. 135 4.6.6 IMPULSSATZ ........................................................................................................ 141 4.6.7 ARBEIT, LEISTUNG, ENERGIE .............................................................................. 141 LITERATUR ZU KAPITEL 4 ............................................................................................................ 146 5 ZUSAMMENHANG ZWISCHEN AUFBAU UND FUNKTION DES BEWEGUNGSAPPARATS ............. 147 5.1 AUFBAU UND EIGENSCHAFTEN DER KNOCHEN .................................................................... 147 5.1.1 FUNKTION DER KNOCHEN .................................................................................... 147 5.1.2 MIKROSKOPISCHER AUFBAU DER KNOCHEN ......................................................... 148 5.1.3 AUFBAU DER KORTIKALIS ..................................................................................... 150 5.1.4 AUFBAU DER SPONGIOSA .................................................................................... 150 5.1.5 MAKROSKOPISCHER AUFBAU DER KNOCHEN ........................................................ 151 X INHALTSVERZEICHNIS 5.1.6 FORMEN VON KNOCHEN .................................................................................... 152 5.1.7 MATERIALEIGENSCHAFTEN DER KNOCHENSUBSTANZEN .......................................... 153 5.2 ANATOMIE UND FUNKTIONSWEISE DER GELENKE ............................................................... 158 5.2.1 EINTEILUNG DER GELENKE .................................................................................. 158 5.2.2 AUFBAU UND EINTEILUNG DER SYNARTHROSEN ..................................................... 158 5.2.3 AUFBAU DER DIARTHROSEN ................................................................................. 159 5.2.4 EINTEILUNG DER DIARTHROSEN ODER ECHTEN GELENKE .......................................... 160 5.3 AUFBAU UND EIGENSCHAFTEN DER BAENDER UND SEHNEN .................................................. 162 5.3.1 FUNKTION DER BAENDER ....................................................................................... 163 5.3.2 FUNKTION DER SEHNEN ....................................................................................... 164 5.4 AUFBAU UND EIGENSCHAFTEN DER MUSKELN .................................................................... 165 5.4.1 EINTEILUNG DER MUSKULATUR .............................................................................. 166 5.4.2 FUNKTION DER SKELETTMUSKELN ......................................................................... 166 5.4.3 AUFBAU DER SKELETTMUSKELN ............................................................................. 167 5.4.4 FORMEN DER SKELETTMUSKELN ........................................................................... 168 5.4.5 ZUSAMMENHANG ZWISCHEN MUSKELFASERANORDNUNG UND LEISTUNG DER SKELETTMUSKELN ................................................................................................. 170 5.5 AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE DES KNIEGELENKS ............................................................ 175 5.5.1 ANATOMIE DES KNIEGELENKS ............................................................................. 175 5.5.2 MENISKEN DES KNIEGELENKS ............................................................................. 176 5.5.3 BANDAPPARAT DES KNIEGELENKS ........................................................................ 177 5.5.4 KINEMATIK DES KNIEGELENKS ........................................................................... 178 5.5.5 BELASTUNG DES KNIEGELENKS ............................................................................. 179 5.5.6 ALTERNATIVE BETRACHTUNG DER BIOMECHANIK DES KNIEGELENKS ....................... 180 5.6 ANPASSUNG DES BEWEGUNGSAPPARATS AN DIE MECHANISCHE BELASTUNG ........................ 190 5.6.1 GESTALTUNG DER LASTEINLEITUNG IN DIE TRAGENDEN ELEMENTE ........................... 190 5.6.2 ANPASSUNG DER GESTALT EINES TRAGENDEN ELEMENTS AN DIE TYPISCHE BELASTUNG ......................................................................................................... 196 5.6.3 ANPASSUNG DER WERKSTOFFEIGENSCHAFTEN AN DIE LOKALE BEANSPRUCHUNG .... 203 LITERATUR ZU KAPITEL 5 ............................................................................................................. 205 6 FINITE-EIEMENTE-ANALYSEN DES BEWEGUNGSAPPARATS ......................................................209 6.1 PRINZIPIELLES VORGEHEN BEI FINITE-ELEMENTE-BERECHNUNGEN .....................................209 6.2 MODELLERSTELLUNG UND FESTLEGUNG DER RANDBEDINGUNGEN ......................................... 210 6.3 MODELLIERUNG DER MATERIALKENNWERTE ......................................................................... 211 6.4 ERSTELLUNG VON FE-NETZEN AUS CT-DATEN .................................................................. 212 6.4.1 ALLGEMEINE BEMERKUNGEN ZU CT-DATEN ....................................................... 213 6.4.2 ERMITTLUNG DER KNOCHENGEOMETRIE AUS RADIOLOGISCHEN BILDDATEN .............. 214 6.4.3 FAM GOFEG: GEOMETRIEORIENTIERTE FE-NETZGENERIERUNG ............................. 215 6.4.4 FAM VOFEG: VOXELORIENTIERTE FE-NETZGENERIERUNG ..................................... 217 6.5 BEISPIELE FUER FE-SPANNUNGSANALYSEN .........................................................................219 6.5.1 ANALYSE FUER EIN KNIEGELENK ...........................................................................219 6.5.2 ANALYSE FUER EIN HUEFTGELENK ............................................................................ 223 6.6 SIMULATION DER KNIEBEUGE MIT FE-KONTAKTANALYSEN ............................................... 225 6.7 BEWEGUNGSSTUDIEN AM EBENEN KNIEMODELL .............................................................. 227 6.7.1 MODELLBILDUNG ................................................................................................. 227 6.7.2 DEFINITION DER RANDBEDINGUNGEN .................................................................. 230 6.7.3 DURCHFUEHRUNG DER FE-ANALYSE ...................................................................... 231 INHALTSVERZEICHNIS XI 6.7.4 ERGEBNISSE DER FE-ANALYSEN MIT EBENEM KNIEMODELL .................................232 6.8 BEWEGUNGSSTUDIEN AM RAEUMLICHEN KNIEMODELL .......................................................238 6.8.1 MODELLBILDUNG ................................................................................................ 239 6.8.2 DEFINITION DER RANDBEDINGUNGEN ................................................................. 240 6.8.3 DURCHFUEHRUNG DER FE-ANALYSE ...................................................................... 241 6.8.4 AUSWERTUNG DER ERGEBNISSE ........................................................................... 241 6.8.5 ENTWICKLUNG EINES RAEUMLICHEN KNIEGELENKMODELLS AUF DER BASIS DER HUELLFLAECHENTHEORIE .......................................................................................... 244 LITERATUR ZU KAPITEL 6 ............................................................................................................248 7 ANWENDUNGSBEISPIELE DER BIOMECHANIK IN SPORT UND MEDIZIN ................................... 251 7.1 AUSGEWAEHLTE ANWENDUNGSFALLE AUS DEM BEREICH DES SPORTS ................................... 251 7.1.1 WURF- UND STOSSBEWEGUNGEN IN DER LEICHTATHLETIK ...................................... 251 7.1.2 FAHRRADFAHREN BEI WINDSTILLE, RUECKEN- UND GEGENWIND ............................. 254 7.1.3 OPTIMIERUNG DER TRITTTECHNIK BEIM FAHRRADFAHREN ..................................... 261 7.2 UNTERSUCHUNG VON HEILUNGSMASSNAHMEN SOWIE VON BEWEGUNGS- UND HEILUNGSHILFEN .............................................................................................................278 7.2.1 BETRACHTUNG VON REHA-MASSNAHMEN NACH IMPLANTATION EINES KUENSTLICHEN HUEFTGELENKS ................................................................................ 278 7.2.2 KNOCHENBRUECHE UND IHRE HEILUNG ................................................................. 284 7.2.3 ENTWICKLUNG EINES KUENSTLICHEN KNIEGELENKS ............................................... 290 7.2.4 PRAEOPERATIVE STUDIEN FUER EINEN UNTERARM ..................................................... 294 LITERATUR ZU KAPITEL 7 ............................................................................................................ 297 SACHWORTVERZEICHNIS .................................................................................................................... 300
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